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电解水制氢的种类以及信然电解槽的特点

作者: 来源: 日期:2023/9/15 17:56:34 人气:1024

“星光不问赶路人,时光不负有心人”9月15号,信然大型电解水制氢用电解槽即将装车发货。为了让客户能够如期收货、早日投产,信然电解槽车间各个部门紧密配合,全力以赴备生产,持续不断忙发货。

信然注重产品的每一个细节,一切以质量为前提,生产与质检部门齐配合,严格按照标准工序生产、检验、调试、装车,确保出厂的每一件设备都完好无损。

一辆辆满载的货车即将开往客户的目的地,按时发货是信然对客户的重要承诺!

 

信然电解槽技术:电解水的原理很简单,但可以在各种物理化学和电化学基础上完成多种技术变化。电解槽通常分为四种主要技术,这几种技术是根据电解质和操作温度来区 分的,反过来又可以指导不同材料和部件的选型。市场上可购买的各种电解电池的原理如下图所示。每种技术又可以有多种变化, 大多数根本性差异在于电池设计、组件内部变化和技术成熟程度。

 

一、信然电解槽分类:

目前有四类电解质:碱性和质子交换膜(PEM)已经商业化,而阴离子交换膜 (AEM)和固体氧化物目前仍处于实验室阶段,有望能取得很大进展。

不同类型的具备商业化前景的电解技术:

 

固体氧化物和阴离子交换膜(AEM)有很大的潜力,但技术还不够成熟,只有 少数公司和原始设备制造商(OEM)参与了其制造和商业化。这些企业大多位 于欧洲。因此,水电解电池的基本原理是由被电解质隔离的两个电极组成。电解质是指负责将产生的化学电荷(阴离子(-)或阳离子(+))从一个电极传输到另一个电极的介质。在碱性电解槽中,负责传输 OH-阴离子的电解质通常是高浓度氢氧化钾溶液。电极和产生的气体在物理上被浸入到 KOH 溶液的多孔无机隔膜 (也称为分隔膜)分开。在 PEM、AEM和固体氧化物电解槽中,电极被电子绝缘性固体电解质分开,该电解质负责将离子从一个电极传输到另一个电极,同时也对产生的气体进行物理隔离。因为离子传输发生在 PEM、AEM或固体氧化物的组件内部,所以不需要添加液体电解质溶液进行传输。下表总结了四类电解槽的运行条件和最重要的组件。着色单元格内的条件或成分因制造商或研发机构不同而有显著差异。同时也表明技术不太成熟,尤其是 AEM 和固体氧化物类型。

 

各类电解槽的槽体以及系统部分 

1.信然碱性电解槽:

1.1  槽体结构原理:碱性电解槽电堆和系统设计简单,制造相对容易。目前,单体电极面积较大可达3平方米(m²)。这类电解槽使用高浓缩 KOH(通常为每升溶液 57 摩尔溶质[mol*L-1])作为电解质,采用坚固的 ZrO2 基隔膜,以及电极使用镀镍(Ni)不锈钢。电荷载体为羟基离子 OH-,KOH 和水可透过隔膜的多孔结构, 触发电化学反应。所生成的气体(氢和氧-H2 和 O2)混合溶于电解质,限制了较低的功率运行范围和较高压力水平下的运行能力。为打破相关限制,可使用更厚(0.252毫米[mm])的隔膜,但这会增加电阻和降低效率。一些制造商有时会在电极和隔膜之间安装垫片,进一步避免气体混合。这些厚隔膜和新增加的垫片在两个电极上形成了高欧姆电阻,导致给定电压下电流密度大幅降低。当前的设计,采用零间隙电极、更薄的垫片和不同的电催化剂等方案增加电流密度,缩小了与 PEM技术的性能差距。另碱性电解槽的设计经典和稳定,运行非常稳定,使用寿命在30年以上。1.2  信然碱性电解槽系统设计原理图

 

信然质子交换膜(PEM)电解槽:

2.1  PEM槽体结构原理该类电解槽采用 PFSA 薄膜(0.2 mm)和效率更高的结构电极(即电阻更低)。全氟磺酸(PFSA)膜在化学和机械方面也很稳定,可以承受高压力差。因此,PEM 电池可以实现氧气侧在正常大气压力下工作,而另外一侧给与高达 70bar 的气压差。PFSA 膜提供的酸性环境,加上阳极侧的高电压和氧气释放形成了恶劣的氧化环 境,需要使用能够耐受这些条件的材料。目前,有必要采用钛基材料、贵金属催化剂和保护镀层,不仅是为了给电池组件提供长期的稳定性,而且是为了提供更好的电导率和电池效率。这些要求使 PEM 堆的成本远远高于碱性电解槽。虽然 PEM 采用了一种最紧凑和最简单的系统设计,但对铁、铜、铬和钠等水 质非常敏感,导致受到腐蚀。目前,单电极面积正迅速接近2000平方厘米(cm ²),但距离达到未来使用单体大型兆瓦级电堆设备仍然很远。最重要的一点是,大规模兆瓦级 PEM 电堆的安全性和使用寿命特性仍有待验证。不同技术面临不同的挑战,从稀有材料到性能、耐用性和成熟度都有不同的挑战;没有一种技术能适用于所有应用,这就为技术竞争和创新打开了大门, 而推动成本下降。2.2  信然PEM系统结构原理

 

3.信然固体氧化物电解槽(SOEC):3.1  SOEC槽体原理:这类电解槽在高温(700-850℃)下工作。优点是有利的动力学条件,使用相对便宜的镍电极成为可能;减少了电力需求,部分用于分解水的能量可通过热能获得(可以利用余热,基于电力计量的表观效率可以高于 100%);可逆性潜力(作为燃料电池和电解槽工作),二氧化碳和水同步电解生成合成气。缺点是:热化学循环会加快劣化和缩短使用寿命,特别是在停机/启动期间。导致电堆性能下降的其他问题还包括:高气压差下的密封难题;使用二氧化硅作为密封剂造成电极污染;以及其他来自管道、连接件和密封的污染源。目前 SOEC部署限于kW级别, 也有一些示范项目已经达到1 MW。3.2  信然SOEC系统原理:

 

4.信然阴离子交换膜(AEM):4.1  AEM槽体结构原理

这是一项新的技术,目前只有少数几家公司正在进行商业化推广,且落地项目很少。AEM 的潜力在于避免了碱性电解槽的恶劣碱性运行环境,并与 PEM 电解槽的简单高效特性相结合。这类电解槽可以使用非贵金属催化剂、不含钛组件,同 PEM 一样可在差压下工作。事实上 AEM 膜存在化学和机械稳定性问题,导致电解槽使用寿命不稳定。另由于 AEM 电导率低、电极结构差、催化剂动力学缓慢等原因,所以性能也不如预期的理想。一般电解质性能可通过调整 AEM 膜的电导率性能或增加支持电解质(如 KOH 或碳酸氢钠[NaHCO3])方法得到提高。然而,如此调整可能会降低电解槽的耐用性。本质上,OH-离子比 PEM内部的 H+质子慢三倍(电导率低), 因此 AEM 开发商需要制造出更薄的或具有更高电荷密度的 AEM 电解质膜。

4.2  信然AEM系统结构原理

 

关于中国氢能集团股份公司:

中国氢能集团股份公司是一家专注于绿色清洁能源领域研究性公司,在北京、上海、江苏设有生产和研发基地,生产信然牌氢能源设备。公司一直秉承创新为本、人才为先的理念,专注于高端制氢设备研发和氢能综合解决方案。电解槽、氢气压缩机、氢燃料电池灯领域的研究。中国氢能集团股份有限公司对碱性槽和PEM制氢技术的理解和掌握都处于企业,目前已自主研发生产出单体1300Nm3/h碱性高度集成制氢设备,设备电流密度是同行的2~3倍,同等功率下设备体积是同行的四分之一、从5%~110%动态响应时间在10秒以内;并具备800-1500Nm3/h PEM制氢设备的设计和生产能力。截止目前已为国内外多家客户提供了不同规格型号的碱性电解制氢和PEM制氢设备。

中国氢能集团股份有限公司下设:上海信然压缩机有限公司、信然亚太控股(北京)有限公司、信尔胜机械(江苏)有限公司等。提供完善的整体氢气能源解决方案,制氢、压缩氢、储氢、运氢、使用氢等整个产业链服务商。

 

关键词:电解槽、电解槽制氢、电解水制氢设备、电解水制氢电解槽

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